DE10297048B4 - Water vapor transmission device for a fuel cell reformer - Google Patents

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Abstract

Brennstoffprozessor für die Erzeugung von Wasserstoff aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff mit
einem Reaktor für die Erzeugung von wasserstoffhaltigem Reformat unter Verwendung von Oxidationsmittel, Wasser und Kohlenwasserstoff-Brennstoff;
gekennzeichnet durch
eine Wasserübertragungsvorrichtung, die derart ausgestaltet ist, dass sie Wasserdampf von dem Reformat, das durch den Reaktor erzeugt wird, auf einen von dem Reaktor verwendeten Reaktanden überträgt, bevor das Reformat einer Brennstoffzelle zugeführt wird, wobei die Wasserübertragungsvorrichtung eine Wasserübertragungsmembran umfasst.Fuel processor for the production of hydrogen from a hydrocarbon fuel with
a reactor for the production of hydrogenated reformate using oxidizer, water and hydrocarbon fuel;
marked by
a water transfer device configured to transfer water vapor from the reformate produced by the reactor to a reactant used by the reactor before the reformate is supplied to a fuel cell, the water transfer device comprising a water transfer membrane.

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Description

Diese Erfindung betrifft Reformer für die Erzeugung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoff-Brennstoff. Derartige Reformer können dazu verwendet werden, Wasserstoff für Brennstoffzellen in einer Energieerzeugungsanlage bzw. Antriebseinrichtung (engl. power plant) zu erzeugen. Insbesondere betrifft diese Erfindung Reformer mit einer Vorrichtung, die Wasserdampf von dem wasserstoffhaltigen Reformat, das durch den Reformer erzeugt wird, zurück an den Brennstoff- und Lufteingang des Reformers überträgt.These Invention relates to reformer for the production of hydrogen from hydrocarbon fuel. Such reformers can be used to hydrogen for fuel cells in one Power generation plant or power plant to create. In particular, this invention relates to reformer a device containing water vapor from the hydrogenated reformate, which is generated by the reformer, back to the fuel and air inlet of the reformer transfers.

Brennstoffzellen sind Vorrichtungen, die elektrochemische Energie durch die Reaktion reduzierender und oxidierender Chemikalien in Elektrizität umwandeln. Brennstoffzellen sind bisher bei vielen Anwendungen als Energie- bzw. Antriebsquelle verwendet worden und können gegenüber anderen Quellen für elektrische Energie erhebliche Vorteile bieten, wie beispielsweise einen verbesserten Wirkungsgrad, eine verbesserte Zuverlässigkeit wie auch Lebensdauer, geringere Kosten und Umweltvorteile. Insbesondere sind Elektromotoren, die durch Brennstoffzellen betrieben werden, zur Verwendung in Autos und anderen Fahrzeugen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden.fuel cells are devices that provide electrochemical energy through the reaction converting reducing and oxidizing chemicals into electricity. Fuel cells have been used in many applications as energy or drive source used and can be compared to other sources of electrical Energy offer significant benefits, such as an improved Efficiency, improved reliability as well as lifetime, lower costs and environmental benefits. In particular, electric motors, powered by fuel cells for use in cars and other vehicles proposed as a replacement for internal combustion engines Service.

Brennstoffzellen verwenden typischerweise Wasserstoff und Luft als die reduzierenden und oxidierenden Materialien, um elektrische Energie und Wasser zu erzeugen. Die Zelle umfasst allgemein eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Wasserstoff wird an die Anodenelektrode geliefert, und Sauerstoff (oder Luft) wird an die Kathodenelektrode geliefert. Das Wasserstoffgas wird an der Anode in Elektronen und Wasserstoffionen (Protonen) getrennt. Die Wasserstoffionen gelangen durch den Elektrolyten an die Kathode. Die Elektronen wandern durch die Stromschaltung (beispielsweise an einen Motor) an die Kathode. An der Kathode werden die Wasserstoffionen, Elektronen wie auch der Sauerstoff dann kombiniert, um Wasser zu bilden. Die Reaktionen an der Anode und Kathode werden durch einen Katalysator, typischerweise Platin, erleichtert.fuel cells typically use hydrogen and air as the reducing ones and oxidizing materials to electrical energy and water to create. The cell generally comprises an anode electrode and a cathode electrode separated by an electrolyte. Hydrogen is supplied to the anode electrode, and oxygen (or air) is supplied to the cathode electrode. The hydrogen gas becomes at the anode in electrons and hydrogen ions (protons) separated. The hydrogen ions arrive through the electrolyte the cathode. The electrons travel through the current circuit (for example to a motor) to the cathode. At the cathode, the hydrogen ions, Electrons as well as the oxygen then combined to add water form. The reactions at the anode and cathode are by a Catalyst, typically platinum, facilitates.

Die Anode und Kathode der Brennstoffzelle sind durch einen Elektrolyten getrennt. Es existieren verschiedene Typen von Brennstoffzellen, von denen jeder ein anderes Elektrolytsystem umfasst und jeder Vorteile besitzt, die diesen für gegebene, kommerzielle Anwendungen besonders geeignet machen. Ein Typ ist die Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEM), die eine dünne Polymermembran verwendet, die für Protonen, jedoch nicht für Elektronen, durchlässig ist. PEM-Brennstoffzellen sind besonders gut zur Verwendung in Fahrzeugen geeignet, da sie einen hohen Strom liefern können und weniger als andere Brennstoffzellensysteme wiegen.The Anode and cathode of the fuel cell are through an electrolyte separated. There are different types of fuel cells, each of which includes a different electrolyte system and benefits everyone owns this for make commercial applications particularly suitable. A guy is the fuel cell with proton exchange membrane (PEM), the a thin one Polymer membrane used for Protons, but not for Electrons, permeable is. PEM fuel cells are particularly good for use in vehicles suitable because they can deliver a high current and less than others Weigh fuel cell systems.

Die Membran in der PEM-Brennstoffzelle ist ein Teil einer Membranelektrodenanordnung (MEA), die die Anode auf einer Seite der Membran und die Kathode auf der gegenüberliegenden Seite aufweist. Die Membran besteht typischerweise aus einem Ionentauscherharz, wie beispielsweise perfluorierter Sulfonsäure. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitfähiger Elemente angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und geeignete Kanäle und/oder Öffnungen zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brenn stoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren umfassen.The Membrane in the PEM fuel cell is part of a membrane electrode assembly (MEA), which is the anode on one side of the membrane and the cathode on the opposite side Side has. The membrane typically consists of an ion exchange resin, such as perfluorinated sulfonic acid. The MEA is layered disposed between a pair of electrically conductive elements, the as current collectors for the anode and cathode serve and suitable channels and / or openings for Distribution of gaseous Reactants of the fuel cell over the surfaces the respective anode and cathode catalysts.

Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, die auf Kohlenstoffpartikeln getragen sind und mit einem protonenleitenden Harz gemischt sind. Die katalytischen Partikel sind typischerweise Edelmetallpartikel, wie beispielsweise Platin. Derartige MEAs sind demgemäß relativ teuer herzustellen und erfordern gesteuerte Betriebsbedingungen, um eine Schädigung der Membran und der Katalysatoren zu verhindern. Diese Bedingungen umfassen eine richtige Wassersteuerung wie auch Befeuchtung und eine Steuerung von den Katalysator schädigenden Bestandteilen, wie beispielsweise Kohlenmonoxid. Typische PEM-Brennstoffzellen und MEAs sind in dem U.S.-Patent 5,272,017 von Swathirajan et al., das am 21. Dezember 1993 erteilt wurde, und dem U.S.-Patent 5,316,871, von Swathirajan et al., das am 31. Mai 1994 erteilt wurde, beschrieben.The The anode and cathode typically comprise finely divided catalytic Particles that are carried on carbon particles and with a proton conductive resin are mixed. The catalytic particles are typically noble metal particles such as platinum. Such MEAs are accordingly relative expensive to manufacture and require controlled operating conditions, for damage to prevent the membrane and the catalysts. These conditions include proper water control as well as humidification and a control of catalyst damaging constituents, such as Carbon monoxide. Typical PEM fuel cells and MEAs are disclosed in U.S. Patent 5,272,017 to Swathirajan et al., Issued December 21, 1993 and U.S. Patent 5,316,871 to Swathirajan et al on May 31, 1994.

Die Spannung von einer einzelnen Zelle beträgt nur etwa 1 Volt. Demgemäß sind, um die höheren Strom- bzw. Spannungsanforderungen von Fahrzeugen und anderen kommerziellen Anwendungen erfüllen zu können, mehrere Zellen in Reihe kombiniert. Diese Kombination ist typischerweise in einem Stapel bzw. "Stack" angeordnet, der durch einen elektrisch isolierenden Rahmen umgeben ist, der Durchgänge besitzt, um den Fluss der Wasserstoff- und Sauerstoff- (Luft-) Reaktanden und den Wasserabfluss zu führen. Da die Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff auch Wärme erzeugt, muss der Brennstoffzellenstapel auch gekühlt werden. Anordnungen von mehreren Zellen in einem Stapel sind beschrieben in dem U.S.-Patent 5,763,113 von Meltser et al., das am 9. Juni 1998 erteilt wurde, und dem U.S.-Patent 6,099,484 von Rock, das am 8. August 2000 erteilt wurde.The Voltage from a single cell is only about 1 volt. Accordingly, around the higher ones Current or voltage requirements of vehicles and other commercial Meet applications to be able to several cells combined in series. This combination is typical arranged in a stack or "stack", the surrounded by an electrically insulating frame having passages, around the flow of hydrogen and oxygen (air) reactants and to run the water drain. Since the reaction of oxygen and hydrogen also generates heat, the fuel cell stack must also be cooled. Arrangements of multiple cells in a stack are described in the U.S. patent 5,763,113 to Meltser et al., Issued June 9, 1998; and U.S. Patent 6,099,484 to Rock, issued Aug. 8, 2000 has been.

Bei vielen Anwendungen ist es erwünscht, einen leicht verfügbaren Kohlenwasserstoff-Brennstoff, wie beispielsweise Methan (Erdgas), Methanol, Benzin oder Dieselkraftstoff als die Wasserstoffquelle für die Brennstoffzelle zu verwenden. Derartige Brennstoffe sind relativ leicht zu speichern, und es existiert bereits eine kommerzielle Infrastruktur für deren Lieferung. Flüssige Brennstoffe, wie beispielsweise Benzin, sind für Fahrzeuganwendungen besonders geeignet. Jedoch müssen Kohlenwasserstoff-Brennstoffe aufgespalten werden, um Wasserstoffgas zur Belieferung der Brennstoffzelle freizusetzen. Brennstoffprozessoren für Energieerzeugungsanlagen zur Lieferung von Wasserstoff umfassen einen oder mehrere Reaktoren oder "Reformer", in denen der Brennstoff mit Wasserdampf und manchmal Luft reagiert, um Reaktionsprodukte zu erzielen, die hauptsächlich Wasserstoff und Kohlendioxid umfassen.In many applications, it is desirable to use a readily available hydrocarbon fuel such as methane (natural gas), methanol, gasoline or diesel fuel as the hydrogen source for the fuel cell. such Fuels are relatively easy to store, and there is already a commercial infrastructure for their delivery. Liquid fuels, such as gasoline, are particularly suitable for vehicle applications. However, hydrocarbon fuels must be split to release hydrogen gas to supply the fuel cell. Fuel processors for power plants for supplying hydrogen include one or more reactors or "reformers" in which the fuel reacts with water vapor and sometimes air to produce reaction products comprising primarily hydrogen and carbon dioxide.

Allgemein existieren zwei Typen von reformierenden Systemen: Wasserdampfreformer und autotherme Reformer. Jedes System besitzt Betriebseigenschaften, die es zur Verwendung bestimmter Typen von Brennstoffen und bei bestimmten Anwendungen mehr oder weniger geeignet machen. Bei der Wasserdampfreformierung reagieren ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff (typischerweise Methan oder Methanol) und Wasser (als Wasserdampf) miteinander, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen. Diese Reaktion verläuft endotherm und erfordert einen Zusatz von Wärme. Bei bevorzugten Systemen wird diese Wärme durch einen Brenner geliefert, der Wasserstoff verbrennt, der nach einem Durchgang des Reformats durch den Brennstoffzellenstapel unreagiert zurückbleibt.Generally There are two types of reforming systems: steam reformer and autothermal reformers. Each system has operating characteristics, which it uses for certain types of fuels and make certain applications more or less suitable. In the Steam reforming reacts with a hydrocarbon fuel (typically methane or methanol) and water (as water vapor), to produce hydrogen and carbon dioxide. This reaction is endothermic and requires an addition of heat. In preferred systems, this heat is delivered through a burner, the hydrogen burns after a passage of the reformate remains unreacted by the fuel cell stack.

Bei einem autothermen Reformierungsprozess werden Kohlenwasserstoff-Brennstoff (typischerweise Benzin), Wasserdampf und Luft an einen Primärreaktor geliefert, der zwei Reaktionen ausführt. Eine der Reaktionen ist eine Partialoxidationsreaktion, bei der Luft mit dem Brennstoff exotherm reagiert, und die andere der Reaktionen ist die endotherme Wasserdampfreformierungsreaktion (wie bei der Wasserdampfreformierung). Die Wärme von der exothermen Reaktion wird bei der endothermen Reaktion verwendet, wodurch der Bedarf nach einer externen Wärmequelle minimiert wird.at An autothermal reforming process will become hydrocarbon fuel (typically gasoline), water vapor and air to a primary reactor delivered, which carries out two reactions. One of the reactions is a partial oxidation reaction, in the air with the fuel exothermic reacts, and the other of the reactions is the endothermic Steam reforming reaction (as in steam reforming). The heat from the exothermic reaction is used in the endothermic reaction, thereby minimizing the need for an external source of heat.

Ein Nebenprodukt sowohl der Wasserdampf- als auch autothermen Reformierungsreaktion ist Kohlenmonoxid. Unglücklicherweise verschlechtert Kohlenmonoxid den Betrieb der Brennstoffzelle und insbesondere der PEM-Brennstoffzellen. Somit ist es erforderlich, dass Reaktoren unterstromig des Primärreaktors die Kohlenmonoxidkonzentration in dem wasserstoffreichen Reformat auf Größen absenken, die in dem Brennstoffzellenstapel tolerierbar sind. Unterstromige Reaktoren können einen Wasser-Gas-Shift-Reaktor (WGS-Reaktor) und einen Reaktor für selektive bzw. bevorzugte Oxidation (PrOx-Reaktor) umfassen. Der WGS-Reaktor wandelt Kohlenmonoxid und Wasser katalytisch um, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen. Der PrOx-Reaktor oxidiert Kohlenmonoxid selektiv zur Erzeugung von Kohlendioxid unter Verwendung von Sauerstoff aus Luft als einem Oxidationsmittel. Die Steuerung der Luftzufuhr zu dem PrOx-Reaktor ist wichtig, um Kohlenmonoxid selektiv zu oxidieren, während die Oxidation von Wasserstoff zu Wasser minimiert wird.One By-product of both the steam and autothermal reforming reaction is carbon monoxide. Unfortunately Carbon monoxide deteriorates the operation of the fuel cell and in particular the PEM fuel cell. Thus, it is necessary that reactors downstream of the primary reactor the carbon monoxide concentration in the hydrogen-rich reformate lower to sizes that are tolerable in the fuel cell stack. Downstream reactors can a water-gas-shift reactor (WGS reactor) and a reactor for selective or preferred oxidation (PrOx reactor) include. The WGS reactor converts carbon monoxide and water to catalytically generate hydrogen and carbon dioxide. The PrOx reactor selectively oxidizes carbon monoxide to produce Carbon dioxide using oxygen from air as one Oxidant. The control of the air supply to the PrOx reactor is important to selectively oxidize carbon monoxide while the Oxidation of hydrogen to water is minimized.

Brennstoffzellensysteme, die einen Kohlenwasserstoffbrennstoff aufspalten, um ein wasserstoffreiches Reformat zum Verbrauch durch PEM-Brennstoffzellen zu erzeugen, sind in der Technik gut bekannt. Derartige Systeme sind beschrieben in dem U.S.-Patent 6,077,620 von Pettit, das am 20. Juni 2000 erteilt wurde; der europäischen Patentveröffentlichung 977,293 von Skala, et al., die am 2. Februar 2000 veröf fentlicht wurde, und dem U.S.-Patent 4,650,722 von Vanderborgh, et al., das am 17. März 1957 erteilt wurde.Fuel cell systems which split a hydrocarbon fuel to a hydrogen-rich one Reformat to produce consumption by PEM fuel cells are well known in the art. Such systems are described in U.S. Patent 6,077,620 to Pettit, issued June 20, 2000 has been; the European Patent publication 977,293 to Skala, et al., Published Feb. 2, 2000 and U.S. Patent 4,650,722 to Vanderborgh, et al on March 17th 1957 was granted.

Die Verwendung von Brennstoffzellensystemen für Kohlenwasserstoffreformat in Autos und anderen Fahrzeugen besitzt spezielle Herausforderungen. Zusätzlich dazu, dass leicht verfügbare flüssige Brennstoffe verwendet werden sollen, wie oben beschrieben ist, müssen der Reformer wie auch die Brennstoffzellensysteme ein relativ geringes Gewicht besitzen und sie müssen dazu in der Lage sein, in einem breiten Bereich von Umgebungsbedingungen effizient arbeiten zu können (beispielsweise in einem Bereich von Temperaturen wie auch Feuchtebedingungen). Sie sollten auch schnell gestartet werden können, um Strom innerhalb eines kurzen Zeitintervalles nach der Startphase des Fahrzeugs erzeugen zu können. Somit ist es erwünscht, das Ausmaß der Erwärmung von Reaktandenkomponenten für den Reformer zu minimieren. Es ist ebenfalls erwünscht, die Menge an flüssigem Wasser zu minimieren, die in dem System gehandhabt werden muss, insbesondere, um die Notwendigkeit zu beseitigen, Wasser in dem System wieder auffüllen zu müssen.The Use of fuel cell systems for hydrocarbon reforming in cars and other vehicles has special challenges. additionally to that readily available liquid fuels should be used as described above, the Reformer as well as the fuel cell systems a relatively small Own weight and they have to to be able to operate efficiently in a wide range of environmental conditions to work (for example in a range of temperatures as well as humidity conditions). You should also be able to start up quickly to get power within one short time interval after the starting phase of the vehicle to generate can. Thus, it is desirable the extent of warming of Reactant components for to minimize the reformer. It is also desirable to have the amount of liquid water in particular, that must be handled in the system, to eliminate the need to recycle water in the system fill up to have to.

Wie oben beschrieben ist, existieren verschiedene Komponenten in dem Reformat-Brennstoffzellensystem, die Wasser erfordern, wobei dies insbesondere den Reformer, der Wasserdampf als Reaktand erfordert, den WGS-Reaktor und die Brennstoffzelle betrifft, die eine Befeuchtung der MEA erfordert, damit diese richtig funktionieren kann. Eine übliche Vorgehensweise, um das Wassergleichgewicht in Brennstoffzellensystemen zu steigern, ist die Verwendung von kondensierenden Wärmetauschern an verschiedenen Punkten in dem System. Beispielsweise werden Wärmetauscher unterstromig des Reformers verwendet, um den Reformataustrag auf eine Temperatur bei oder unterhalb seines Taupunktes zu kühlen, um so einen Niederschlag von Wasser zu erreichen. Das Wasser wird von dem gasförmigen Reformat getrennt und in einem Reservoir gespeichert. Das Wasser wird anschließend an den Reformer zurückgeführt, in dem es erhitzt wird, um Wasserdampf zu erzeugen. Wärmetauscher werden auch dazu verwendet, den Austragsstrom, der die Kathode der Brennstoffzelle verlässt, zu kühlen, um so das Wasser zu kondensieren, das zur Befeuchtung der MEA verwendet wird. Die Verwendung von Wärmetauschern hat jedoch verschiedene Probleme zur Folge. Beispielsweise ist der Wasserrückgewinnungswirkungsgrad von Wärmetauschern verringert, wenn die Umgebungstemperatur zunimmt. Damit können große Kühler nötig werden, um so die Kondensationswärme zu dissipieren. Überdies muss das flüssige Kondensat, das von den Wärmetauschern erzeugt wird, zur Wiederverwendung in dem System verdampft werden, was eine zusätzliche Energielast wie auch Verminderungen der Wirkungsgrade in dem System zur Folge hat.As described above, various components exist in the reformate fuel cell system that require water, particularly the reformer that requires water vapor as a reactant, the WGS reactor, and the fuel cell that requires humidification of the MEA to function properly can. A common way to increase water balance in fuel cell systems is to use condensing heat exchangers at various points in the system. For example, heat exchangers are used downstream of the reformer to cool the reformate discharge to a temperature at or below its dew point so as to achieve a precipitation of water. The water is separated from the gaseous reformate and stored in a reservoir. The water is then added to the Reformer returned in which it is heated to produce water vapor. Heat exchangers are also used to cool the effluent stream exiting the cathode of the fuel cell so as to condense the water used to humidify the MEA. However, the use of heat exchangers has various problems. For example, the heat recovery efficiency of heat exchangers is reduced as the ambient temperature increases. This may require large coolers to dissipate the heat of condensation. Moreover, the liquid condensate produced by the heat exchangers must be evaporated for reuse in the system, resulting in additional energy load as well as decreases in efficiencies in the system.

In der Technik sind bereits Vorgehensweisen hinsichtlich der Anforderungen an das Wassergleichgewicht in Brennstoffzellensystemen beschrieben worden. Dazu wird beispielsweise auf die deutsche Patentveröffentlichung 42 01 632 von Strasser, die am 29. Juli 1993 veröffentlicht wurde, das U.S.-Patent 6,007,931 von Fuller, et al., das am 28. Dezember 1999 erteilt wurde; und das U.S.-Patent 6,013,385 von DuBose verwiesen, das am 11. Januar 2000 erteilt wurde. Jedoch sind die Wassermanagementsysteme, die im Stand der Technik bekannt sind, auf diese Anforderungen nicht geeignet abgestimmt, da sie Probleme besitzen, wie beispielsweise ihre Unfähigkeit, ein richtiges Wassergleichgewicht über einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen beizubehalten, ihre mechanische Komplexität wie auch mangelnde Zuverlässigkeit, erhöhte Systemenergieanforderungen wie auch potentielle Sicherheitsrisiken.In Techniques are already procedures with regard to the requirements to the water balance in fuel cell systems has been described. For this purpose, for example, the German patent publication No. 42 01 632 of Strasser, published July 29, 1993, U.S. Patent 6,007,931 to Fuller, et al., Issued December 28, 1999; and U.S. Patent 6,013,385 to DuBose, issued January 11, 2000 was granted. However, the water management systems that are in the state are known in the art, not suitable for these requirements because they have problems, such as their inability to a proper water balance over a wide range of Operating conditions, their mechanical complexity as well as lacking Reliability, increased System power requirements as well as potential security risks.

DE 42 01 632 C2 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zur Befeuchtung eines in eine Brennstoffzelle einströmenden Reformates, bei denen dem Strom Wasserdampf entzogen wird, nachdem er in der Brennstoffzelle prozessiert wurde. Das in die Brennstoffzelle einströmende Reformat wird mit Hilfe von semipermeablen Membranen von dem ausströmenden Reaktanden befeuchtet. DE 42 01 632 C2 describes a method and arrangement for humidifying a reformate flowing into a fuel cell in which water vapor is withdrawn from the stream after it has been processed in the fuel cell. The reformate flowing into the fuel cell is moistened by semipermeable membranes from the effluent reactant.

WO 99/67829 A2 beschreibt den Übergang von Wasserdampf, der eine Brennstoffzellenenergieerzeugungsanlage verlässt, zurück in die Anlage über ein direktes Masse- und Hitzeübertragungselement.WHERE 99/67829 A2 describes the transition from Water vapor leaving a fuel cell power plant back in the Plant over a direct mass and heat transfer element.

DE 199 08 905 A1 betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle und einer Wasserstofferzeugungsanlage zur Speisung der Brennstoffzelle mit einem wasserstoffhaltigen Gas, die sich durch mehrere Kondensatoren zur Wasserrückgewinnung aus dem von der Wasserstofferzeugungsanlage abgegebenen Prozessgas oder aus dem von der Kathodenseite der Brennstoffzelle abgeführten Kathodenabgas und zur Rückführung des auskondensierten Wassers in das Wasserzuführsystem auszeichnet. DE 199 08 905 A1 relates to a fuel cell system with at least one fuel cell and a hydrogen production system for feeding the fuel cell with a hydrogen-containing gas, which is separated by several water recovery capacitors from the process gas emitted by the hydrogen production plant or from the cathode exhaust discharged from the cathode side of the fuel cell and for returning the condensed water in distinguishes the water supply system.

Ein Brennstoffprozessor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus WO 01/48849 A1 bekannt.One Fuel processor having the features of the preamble of the claim 1 is known from WO 01/48849 A1.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Brennstoffprozessor für die Erzeugung von Wasserstoff aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff und ein verbessertes Verfahren zum Befeuchten eines Reaktanden für einen Brennstoffprozessor anzugeben.It the object of the present invention is an improved fuel processor for the generation of hydrogen from a hydrocarbon fuel and an improved one A method of humidifying a reactant for a fuel processor specify.

Diese Aufgabe wird mit einem Brennstoffprozessor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen gerichtet.These Task is using a fuel processor with the characteristics of Claim 1 and a method having the features of claim 11 solved. under claims are on preferred embodiments directed.

Es hat sich herausgestellt, dass ein derartiger Brennstoffprozessor bzw. ein derartiges Verfahren unter Einsatz von Wasserübertragungsvorrichtungen erhebliche Vorteile gegenüber Wassermanagementsystemen, die in der Technik bekannt sind, besitzen.It has turned out that such a fuel processor or such a method using water transfer devices significant advantages over Water management systems that are known in the art possess.

Insbesondere besitzen derartige Systeme Vorteile bei der Beibehaltung eines Gesamtwassergleichgewichtes in dem System in einem Bereich von Betriebsbedingungen, verringerte Energieanforderungen, eine verringerte Komponentenkomplexität und erhöhte Zuverlässigkeit wie auch eine gesteigerte Betriebssicherheit.Especially Such systems have advantages in maintaining overall water balance in the system in a range of operating conditions decreased Energy requirements, reduced component complexity and increased reliability as well as increased operational safety.

1 ist ein Schaubild, das einen Kohlenwasserstoff-Brennstoffprozessor dieser Erfindung zeigt, der mit einer Brennstoffzelle verbunden ist, und das den Fluss von Materialien in und aus dem Reaktor und der Wasserübertragungsvorrichtung veranschaulicht. 1 FIG. 12 is a diagram illustrating a hydrocarbon fuel processor of this invention connected to a fuel cell and illustrating the flow of materials into and out of the reactor and the water transfer device. FIG.

2 ist ein Schaubild einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung mit einem Primärreaktor, einem Wasser-Gas-Shift- Reaktor (WGS-Reaktor) und einem Reaktor für selektive Oxidation (PrOx-Reaktor). 2 Figure 4 is a diagram of a preferred embodiment of this invention having a primary reactor, a water gas shift (WGS) reactor, and a selective oxidation reactor (PrOx reactor).

3 zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform der Wasserübertragungsvorrichtung dieser Erfindung. 3 shows a sectional view of an embodiment of the water transmission device of this invention.

4 ist ein Schaubild einer Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung mit einem Kompressor für in den Reaktor eintretendes Oxidationsmittel. 4 Figure 3 is a diagram of a sectional view of a preferred embodiment of this invention having a compressor for oxidant entering the reactor.

Die vorliegende Erfindung sieht einen Kohlenwasserstoff-Brennstoffprozessor vor. Der hier verwendete Begriff "Kohlenwasserstoff-Brennstoffprozessor" umfasst jede Vorrichtung, die einen Kohlenwasserstoffbrennstoff in Wasserstoff bevorzugt zur Verwendung in einer Brennstoffzelle umwandelt. Der Begriff "Brennstoffzelle", der hier verwendet ist, kann eine einzelne Zelle für die elektrochemische Erzeugung von Elektrizität, bevorzugt eine PEM-Brennstoffzelle unter Verwendung von Wasserstoff und einem Oxidationsmittel oder eine Vielzahl von Zellen in einem Stapel oder einer anderen Anordnung bezeichnen, die eine Serienverbindung der Zellen zulässt, um so eine erhöhte Spannung zu erzeugen. Der hier verwendete Begriff "Kohlenwasserstoff-Brennstoffzellenanlage" ist eine Vorrichtung, die eine Brennstoffzelle und einen Kohlenwasserstoff-Brennstoffprozessor umfasst, um Wasserstoff für die Brennstoffzelle zu erzeugen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kohlenwasserstoff-Brennstoffzellenanlage zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug geeignet. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Kohlenwasserstoff-Brennstoffzellenanlage zur Verwendung in einer stationären Vorrichtung geeignet, wie beispielsweise einem Notstromgenerator oder Zusatz- oder Hilfsstromgenerator für Hausgebrauch oder kommerzielle Verwendung.The present invention provides a Koh hydrogen fuel processor. The term "hydrocarbon fuel processor" as used herein includes any device that converts a hydrocarbon fuel into hydrogen, preferably for use in a fuel cell. The term "fuel cell" as used herein may refer to a single cell for the electrochemical generation of electricity, preferably a PEM fuel cell using hydrogen and an oxidant, or a plurality of cells in a stack or other arrangement containing a Serial connection of the cells allows, so as to generate an increased voltage. The term "hydrocarbon fuel cell plant" as used herein is an apparatus that includes a fuel cell and a hydrocarbon fuel processor to produce hydrogen for the fuel cell. In a preferred embodiment, the hydrocarbon fuel cell plant is suitable for use in a motor vehicle. In another preferred embodiment, the hydrocarbon fuel cell plant is suitable for use in a stationary device, such as an emergency generator or auxiliary or auxiliary generator for domestic or commercial use.

Bevorzugt wandelt der Kohlenwasserstoff-Brennstoffprozessor Kohlenwasserstoff-Brennstoff unter Verwendung eines Oxidationsmittels und Wasser um, um einen Strom aus Wasserstoffgas zu erzeugen. Bevorzugt ist der Kohlenwasserstoff-Brennstoff ein Brennstoff, der reformiert werden kann, um Wasserstoff zu erzeugen, und kann Benzin, Dieselkraftstoff, Erdgas, Methan, Butan, Propan, Methanol, Ethanol oder deren Mischungen umfassen. (Das hier verwendete Wort "umfassen" (und seine Varianten) ist als nicht beschränkend anzusehen, so dass ein Aufzählen von Begriffen oder Möglichkeiten in einer Liste nicht dem Ausschluss anderer ähnlicher Begriffe oder Möglichkeiten dient, die ebenfalls in den Vorrichtungen, Einrichtungen, Komponenten, Materialien, Zusammensetzungen und Verfahren dieser Erfindung verwendet werden können.) Prefers The hydrocarbon fuel processor converts hydrocarbon fuel using an oxidizer and water around one Generate electricity from hydrogen gas. Preference is given to the hydrocarbon fuel a fuel that can be reformed to produce hydrogen, and can be gasoline, diesel fuel, natural gas, methane, butane, propane, Include methanol, ethanol or mixtures thereof. (The one used here Word "include" (and its variants) is not restrictive to look at, so an enumeration of terms or possibilities in a list not excluding other similar terms or possibilities which is also used in devices, devices, components, Materials, compositions and methods of this invention used can be.)

Insbesondere sieht die vorliegende Erfindung, wie in 1 gezeigt ist, einen Brennstoffprozessor für eine Energieerzeugungsanlage vor, mit einem Reaktor (1) und einer Wasserübertragungsvorrichtung (2), die Wasserdampf von dem Reformat, das durch den Reaktor erzeugt wird, an den Eingang des Reaktors überträgt. Der hier verwendete Begriff "Reformat" ist das gasförmige Produkt oder der gasförmige Abfluss, der Wasserstoff umfasst und der durch einen Reaktor aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff erzeugt wird. Bei einer Ausführungsform strömt das Reformat nach einem Durchgang durch die Wasserübertragungsvorrichtung von dem Reaktor an eine Brennstoffzelle (3). Ebenfalls wird bei dieser Ausführungsform der Wasserdampf an den Reaktor als Teil des Oxidationsmittelstromes übertragen. Die Übertragung kann direkt an den Eingang des Reaktors oder an eine Vorrichtung erfolgen, wie beispielsweise eine Luftbewegungsvorrichtung, die ihrerseits mit dem Eingang des Reaktors verbunden ist. Die Wasserübertragungsvorrichtung umfasst bevorzugt eine Wasserübertragungsmembran.In particular, the present invention provides, as in 1 is shown, a fuel processor for a power generation plant before, with a reactor ( 1 ) and a water transfer device ( 2 ), which transfers water vapor from the reformate produced by the reactor to the inlet of the reactor. The term "reformate" as used herein is the gaseous product or gaseous effluent comprising hydrogen produced by a hydrocarbon fuel reactor. In one embodiment, after passage through the water transfer device, the reformate flows from the reactor to a fuel cell ( 3 ). Also, in this embodiment, the water vapor is transferred to the reactor as part of the oxidant stream. The transfer can be made directly to the inlet of the reactor or to a device, such as an air moving device, which in turn is connected to the inlet of the reactor. The water transfer device preferably comprises a water transfer membrane.

Reaktor:Reactor:

Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst einen Reaktor, der in der Lage ist, einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff in Wasserstoff zur Verwendung in einer Brennstoffzelle umzuwandeln. Bevorzugte Reaktoren umfassen Wasserdampf reformierende Reaktoren und autotherme Reaktoren, wie oben allgemein im Hintergrund beschrieben wurde. Die mit dieser Erfindung verwendbaren Reaktoren sind in der Technik bekannt und beispielsweise in den folgenden Dokumenten beschrieben, die hier alle durch Bezugnahme eingeschlossen sind: U.S.-Patent 4,650,722, Vanderborgh, et al., erteilt am 17. März 1987; U.S.-Patent 6,077,620, Pettit, erteilt am 20. Juni 2000; und U.S.-Patent 6,132,689, Skala et al., erteilt am 22. September 1998; U.S.-Patent 6,159,626, Keskula et al., erteilt am 6. Juli 1999; europäische Patentoffenlegungsschrift 977,293; Skala et al., veröffentlicht am 2. Februar 2000; und europäische Patentoffenlegungsschrift 1,066,876 Keskula et al., veröffentlicht am 10. Januar 2001.The Apparatus of the present invention comprises a reactor which is able to convert a hydrocarbon fuel into hydrogen for use in a fuel cell. preferred Reactors include steam reforming reactors and autothermal ones Reactors as generally described above in the background. The Reactors usable with this invention are known in the art known and described for example in the following documents, which are all incorporated herein by reference: U.S. Patent 4,650,722, Vanderborgh, et al., Issued March 17, 1987; U.S. Patent 6,077,620, Pettit, issued on June 20, 2000; and U.S. Patent 6,132,689, Skala et al., issued Sep. 22, 1998; U.S. Patent 6,159,626, Keskula et al., issued July 6, 1999; European patent publication 977.293; Skala et al., Published on February 2, 2000; and European Patent Publication 1,066,876 Keskula et al., Published on January 10, 2001.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung, die allgemein in 2 gezeigt ist, umfasst der Reaktor einen oder mehrere Reaktoren (4, 5, 6). Der Kohlenwasserstoff-Brennstoff (Strom 7) wird in Anwesenheit von Wasser/Wasserdampf einer Aufspaltung unterzogen, um das Reformat zu erzeugen. Bei einer derartigen spezifischen Ausführungsform wird Luft in einer aus Partialoxidation und Wasserdampfreformierung kombinierten Reaktion verwendet. In diesem Fall empfangen die Reaktoren (4 und 6) auch einen Luftstrom (8). Jeder Reaktor (4, 5, 6) kann einen oder mehrere Abschnitte oder Reaktorbetten umfassen. Es ist eine Vielzahl von Konstruktionen bekannt und verwendbar. Daher kann die Auswahl und Anordnung von Reaktoren (4, 5, 6) variieren. Nachfolgend sind mehrere beispielhafte Brennstoff reformierende Reaktoren (4) und unterstromige Reaktoren (5, 6) weiter beschrieben.In one embodiment of the invention, generally referred to in 2 is shown, the reactor comprises one or more reactors ( 4 . 5 . 6 ). The hydrocarbon fuel (electricity 7 ) is split in the presence of water / water vapor to produce the reformate. In such a specific embodiment, air is used in a reaction combined from partial oxidation and steam reforming. In this case, the reactors ( 4 and 6 ) also a stream of air ( 8th ). Each reactor ( 4 . 5 . 6 ) may comprise one or more sections or reactor beds. A variety of constructions are known and usable. Therefore, the selection and arrangement of reactors ( 4 . 5 . 6 ) vary. Below are several exemplary fuel reforming reactors ( 4 ) and downstream reactors ( 5 . 6 ) further described.

Ein Brennstofftank (9) speichert bevorzugt den Kohlenwasserstoff-Brennstoff bei Umgebungstemperatur. Der Brennstoff wird dann an den Brennstoffprozessor geliefert (Strom 7). Bei einigen Ausführungsformen, bevorzugt mit Wasserdampf reformierenden Reaktoren, wird der Brennstoff vor dem Eintritt in den Primärreaktor (4) verdampft.A fuel tank ( 9 ) preferably stores the hydrocarbon fuel at ambient temperature. The fuel is then delivered to the fuel processor (power 7 ). In some embodiments, preferably with steam reforming reactors, the fuel is injected before entering the primary reactor ( 4 ) evaporates.

Bei einem beispielhaften autothermen Reformierungsprozess reagieren Benzin, Wasser (als Wasserdampf) und Sauerstoff (Luft) in einem Primärreaktor (4), um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen, wie vorher im Hintergrund beschrieben wurde. Der Reaktor (4) umfasst zwei Abschnitte. Ein Abschnitt des Reaktors ist hauptsächlich ein Partialoxidationsreaktor (POX), und der andere Abschnitt des Reaktors ist hauptsächlich ein Wasserdampfreformer (SR), obwohl bei dem Typ von Reaktionen, die in den POX- und SR-Abschnitten stattfinden, eine gewisse Überlappung auftritt. Die POX-Reaktion erfolgt vorwiegend zwischen Brennstoff und Luft nach dem folgenden allgemeinen Reaktionsschema: C8H18 + 4O2 → 8CO + 9H2 In an exemplary autothermal refor gasoline, water (as water vapor) and oxygen (air) in a primary reactor ( 4 ) to produce hydrogen and carbon dioxide as previously described in the background. The reactor ( 4 ) comprises two sections. One section of the reactor is primarily a partial oxidation reactor (POX), and the other section of the reactor is primarily a steam reformer (SR), although some overlap occurs in the type of reactions taking place in the POX and SR sections. The POX reaction occurs predominantly between fuel and air according to the following general reaction scheme: C 8 H 18 + 4O 2 → 8CO + 9H 2

Diese Reaktion wird durch die Verwendung eines Katalysators erleichtert und läuft exotherm ab. Ein bevorzugter POX-Katalysator umfasst eines oder mehrere Edelmetalle, Pt, Rh, Pd, Ir, Os, Au und Ru. Andere Nicht-Edelmetalle oder Kombinationen von Metallen, wie beispielsweise Ni und Co sind ebenfalls verwendbar. Die Reaktion in dem POX-Abschnitt ist bevorzugt brennstoffreich. Die heißen POX-Reaktionsprodukte gelangen zusammen mit dem mit dem Brennstoff eingeführten Wasserdampf in den SR-Abschnitt, in dem die Kohlenwasserstoffe mit Wasserdampf gemäß dem folgenden allgemeinen Reaktionsschema reagieren: C8H18 + 8H2O → 8CO + 17H2 This reaction is facilitated by the use of a catalyst and is exothermic. A preferred POX catalyst comprises one or more noble metals, Pt, Rh, Pd, Ir, Os, Au and Ru. Other non-noble metals or combinations of metals such as Ni and Co are also useful. The reaction in the POX section is preferably fuel-rich. The hot POX reaction products, along with the steam introduced with the fuel, enter the SR section, where the hydrocarbons react with water vapor according to the following general reaction scheme: C 8 H 18 + 8H 2 O → 8CO + 17H 2

Die Wasserdampfreformierungsreaktion verläuft endotherm. Die für diese endotherme Reaktion benötigte Wärme wird aus der Wärme bereitgestellt, die durch die exotherme POX-Reaktion erzeugt wird, und wird in den SR-Abschnitt durch den Abfluss des POX-Abschnittes geführt (daher der Begriff "autothermer Reaktor").The Steam reforming reaction is endothermic. The for this needed endothermic reaction Heat is from the heat provided by the exothermic POX reaction, and will be in the SR section passed through the outflow of the POX section (hence the term "autothermal reactor").

Die Primärreformatprodukte (10) von dem Primärreaktor verlassen den Primärreaktor (4) und werden bei einer Ausführungsform durch einen Wärmetauscher gekühlt, der Wärme von dem Reformat auf die an den Primärreaktor gelieferte Luft überträgt. Bei einer anderen Ausführungsform wird diese Wärmeübertragung durch eine Wasserübertragungsvorrichtung ohne Bedarf nach einem separaten Wärmetauscher bewirkt. Es wird Wasserstoff erzeugt, jedoch erzeugt die Benzinreformierung auch Kohlendioxid, Wasser und Kohlenmonoxid. Insbesondere Kohlenmonoxid kann eine nachteilige Wirkung auf den in dem Brennstoffzellenstapel verwendeten Katalysator haben. Demgemäß ist es bevorzugt, den Kohlenmonoxidgehalt des Produktstroms zu verringern.The primary reformulation products ( 10 ) from the primary reactor leave the primary reactor ( 4 ) and, in one embodiment, are cooled by a heat exchanger which transfers heat from the reformate to the air delivered to the primary reactor. In another embodiment, this heat transfer is effected by a water transfer device without the need for a separate heat exchanger. Hydrogen is produced, but gasoline reforming also generates carbon dioxide, water and carbon monoxide. In particular, carbon monoxide may have a detrimental effect on the catalyst used in the fuel cell stack. Accordingly, it is preferred to reduce the carbon monoxide content of the product stream.

Bevorzugt umfasst der Brennstoffprozessor dann auch einen oder mehrere unterstromige Reaktoren, wie beispielsweise einen Wasser-Gas-Shift-Reaktor (WGS-Reaktor) (5) und einen Reaktor (6) für selektive bzw. bevorzugte Oxidation (PrOx-Reaktor), die zur Umwandlung von Kohlenmonoxid in Kohlendioxid verwendet werden. Bevorzugt wird das Kohlenmonoxid auf akzeptable Größen verringert, bevorzugt unterhalb etwa 20 ppm.The fuel processor then preferably also comprises one or more downstream reactors, such as, for example, a water-gas-shift (WGS) reactor (US Pat. 5 ) and a reactor ( 6 ) for selective or preferential oxidation (PrOx reactor), which are used to convert carbon monoxide into carbon dioxide. Preferably, the carbon monoxide is reduced to acceptable levels, preferably below about 20 ppm.

Der Shift-Reaktor (5) umfasst bevorzugt einen oder mehrere Abschnitte, in denen Kohlenmonoxid und Wasser gemäß dem folgenden allgemeinen Schema reagieren: CO + H2O → CO2 + H2 The shift reactor ( 5 ) preferably comprises one or more sections in which carbon monoxide and water react according to the following general scheme: CO + H 2 O → CO 2 + H 2

Bei einer Ausführungsform ist ein Hochtemperatur-Shift-Abschnitt und ein Niedertemperatur-Shift-Abschnitt vorgesehen. Bei einer solchen spezifischen Ausführungsform umfasst der Hochtemperatur-Shift-Reaktor einen Fe3O4/Cr2O3-Katalysator und arbeitet bei einer Temperatur von etwa 400°C (752°F) bis etwa 550°C (1022°F). Bei der Ausführungsform umfasst der Niedertemperatur-Shift-Reaktor einen CuO/ZnO/Al2O3-Katalysator und arbeitet bei einer Temperatur von etwa 200°C (392°F) bis etwa 300°C (572°F). Bevorzugt erfolgt eine Kühlung des Reformatstromes zwischen den Hochtemperatur- und den Niedertemperaturabschnitten. Bei anderen Ausführungsformen umfasst der WGS-Reaktor eine Shift-Reaktion bei mittlerer Temperatur, die bei einer Temperatur von etwa 300°C (572°C) bis etwa 400°C (752°C) arbeitet, anstelle von oder zusätzlich zu den Hoch- und Niedertemperaturreaktoren.In one embodiment, a high temperature shift section and a low temperature shift section are provided. In such a specific embodiment, the high temperature shift reactor comprises a Fe 3 O 4 / Cr 2 O 3 catalyst and operates at a temperature of from about 400 ° C (752 ° F) to about 550 ° C (1022 ° F). In the embodiment, the low temperature shift reactor comprises a CuO / ZnO / Al 2 O 3 catalyst and operates at a temperature of about 200 ° C (392 ° F) to about 300 ° C (572 ° F). The cooling of the reformate stream between the high-temperature and the low-temperature sections preferably takes place. In other embodiments, the WGS reactor comprises a medium temperature shift reaction operating at a temperature of about 300 ° C (572 ° C) to about 400 ° C (752 ° C) instead of or in addition to the high temperature. and low temperature reactors.

Das den Shift-Reaktor verlassende Reformat (11) tritt in einen Reaktor (6) für selektive Oxidation (PrOx) ein, in dem es katalytisch mit Sauerstoff, der durch eine Luftversorgung (8) geliefert wird, gemäß dem folgenden allgemeinen Reaktionsschema reagiert: CO + ½O2 → CO2 The reformate leaving the shift reactor ( 11 ) enters a reactor ( 6 ) for selective oxidation (PrOx), in which it catalytically reacts with oxygen supplied by an air supply ( 8th ) is reacted according to the following general reaction scheme: CO + ½O 2 → CO 2

Diese Reaktion wird durchgeführt, um das im Wesentlichen gesamte oder zumindest den größten Teil des restlichen Kohlenmonoxids ohne Verbrauch übermäßiger Mengen an Wasserstoff zu verbrauchen.These Reaction is carried out to the substantially entire or at least the largest part of residual carbon monoxide without consuming excessive amounts of hydrogen to consume.

Ein Luftstrom (8), der an den Brennstoffprozessor geliefert wird, kann in einem oder mehreren der Reaktoren verwendet werden. Für Systeme mit einem autothermen Reformer wird Luft an einen Reaktor (4) geliefert. Der PrOx-Reaktor (6) verwendet auch Luft, um Kohlenmonoxid unter Verwendung eines Edelmetallkatalysators in Kohlendioxid zu oxidieren. Bevorzugt wird Luft von einer Luftbewegungsvorrichtung, bevorzugt einem Kompressor (12), geliefert. Die Luft kann unter Verwendung eines oder mehrerer Wärmetauscher auf die gewünschten Temperaturen für den Primärreaktor (4) erwärmt werden. Bei derartigen Ausführungsformen wird die Luft für den Primärreaktor (4) bevorzugt mit einer Temperatur von zumindest etwa 700°C (1292°F) abhängig von den Betriebsbedingungen geliefert.An airflow ( 8th ) supplied to the fuel processor may be used in one or more of the reactors. For systems with an autothermal reformer, air is fed to a reactor ( 4 ) delivered. The PrOx reactor ( 6 ) also uses air to oxidize carbon monoxide into carbon dioxide using a noble metal catalyst. Preference is given to air from an air movement device, preferably a compressor ( 12 ), delivered. The air can be heated to the desired temperatures for the primary reactor using one or more heat exchangers ( 4 ) are heated. In such embodiments, the air for the primary reactor ( 4 ) preferably at a temperature of at least about 700 ° C (1292 ° F) depending on the operating conditions.

Bei einer Ausführungsform verlässt der PrOx-Wasserstoffstrom (13) den PrOx-Reaktor (6) und wird durch den Wärmetauscher auf eine Temperatur gekühlt, die zur Verwendung in einer Brennstoffzelle (3) geeignet ist. Der Wasserstoffstrom wird bevorzugt auf eine Temperatur unterhalb etwa 100°C (212°F) gekühlt. Der Wasserstoffstrom (13) wird anschließend über die Wasserübertragungsvorrichtung (2) in die Anodenkammer der Brennstoffzelle (3) zugeführt, wie nachfolgend beschrieben ist. Gleichzeitig wird Sauerstoff (beispielsweise Luft) von einem Oxidationsmittelstrom (8) in die Kathodenkammer der Brennstoffzelle (3) zugeführt. Bevorzugt wird die Luft unter Verwendung eines Kompressors komprimiert. Der Wasserstoff von dem Reformatstrom und der Sauerstoff von dem Oxidationsmittelstrom reagieren in der Brennstoffzelle zur Erzeugung von Elektrizität in einer elektrochemischen Reaktion in Anwesenheit des Katalysators. Wasser wird als ein Nebenprodukt der Reaktion erzeugt. Ein Austrag oder Abfluss von der Anodenseite der Brennstoffzelle (3) enthält nicht reagierten Wasserstoff. Der Austrag oder Abfluss von der Kathodenseite der Brennstoffzelle (3) enthält auch nicht reagierten Sauerstoff.In one embodiment, the PrOx hydrogen flow leaves ( 13 ) the PrOx reactor ( 6 ) and is cooled by the heat exchanger to a temperature suitable for use in a fuel cell ( 3 ) suitable is. The hydrogen stream is preferably cooled to a temperature below about 100 ° C (212 ° F). The hydrogen stream ( 13 ) is then passed over the water transfer device ( 2 ) into the anode compartment of the fuel cell ( 3 ), as described below. At the same time, oxygen (for example, air) from an oxidant stream ( 8th ) into the cathode chamber of the fuel cell ( 3 ). Preferably, the air is compressed using a compressor. The hydrogen from the reformate stream and the oxygen from the oxidant stream react in the fuel cell to produce electricity in an electrochemical reaction in the presence of the catalyst. Water is generated as a by-product of the reaction. A discharge or outflow from the anode side of the fuel cell ( 3 ) contains unreacted hydrogen. The discharge or outflow from the cathode side of the fuel cell ( 3 ) also contains unreacted oxygen.

Einige der Reaktionen, die in den Reaktoren (4, 5, 6) auftreten, verlaufen endotherm und erfordern somit Wärme. Andere Reaktionen sind exotherm und erfordern eine Beseitigung von Wärme. Typischerweise benötigt der PrOx-Reaktor (6) eine Entfernung von Wärme. Abhängig von dem Reformertyp verlaufen eine oder mehrere der Reaktionen in dem Primärreaktor (4) endotherm und benötigen einen Zusatz von Wärme. Dies wird typischerweise dadurch erreicht, indem Brennstoff-, Wasser- und/oder Luftreaktanden vorerhitzt werden und/oder bei einem Wasserdampfreformierungsreaktor die gewählten Reaktoren vorgeheizt werden. Das System umfasst bevorzugt Wärmetauscher, um Wärmeenergie von denjenigen Teilen des Systems, die Wärme zu erzeugen, auf diejenigen zu übertragen, die Wärme benötigen.Some of the reactions occurring in the reactors ( 4 . 5 . 6 ), are endothermic and thus require heat. Other reactions are exothermic and require removal of heat. Typically, the PrOx reactor ( 6 ) a removal of heat. Depending on the reformer type, one or more of the reactions in the primary reactor ( 4 ) endothermic and require an addition of heat. This is typically accomplished by preheating fuel, water and / or air reactants and / or preheating the selected reactors in a steam reforming reactor. The system preferably includes heat exchangers to transfer heat energy from those parts of the system that produce heat to those that need heat.

Der Brennstoffprozessor umfasst bevorzugt optional einen Brenner, der den Brennstoff, die Luft und/oder die Wasserreaktanden, die in den Reaktor eintreten, erhitzen kann. Für Brennstoffprozessoren mit einem Wasserdampfreformierungsreaktor heizt der Brenner den Reformer bevorzugt direkt oder indirekt. Bei einem bevorzugten Wasserdampfreformierungssystem werden die Reaktorbetten durch das heiße Abgas des Brenners erhitzt. Eine bevorzugte Ausführungsform, die einen autothermen Reformer umfasst, besitzt keinen Brenner.Of the Fuel processor preferably includes optionally a burner, the the fuel, the air and / or the water reactants which are in the Enter reactor, can heat. For fuel processors with a steam reforming reactor, the burner heats the reformer preferably directly or indirectly. In a preferred steam reforming system The reactor beds are heated by the hot exhaust gas from the burner. A preferred embodiment, which includes an autothermal reformer has no burner.

Der Brenner umfasst bevorzugt eine Kammer mit einem Einlass, einem Austrag und einem Katalysator. Bevorzugt ist die Brennstoffquelle des Brenners der nicht reagierte Wasserstoff in dem Anodenabfluss. Zusätzlicher Brennstoff (Strom 7) kann direkt an den Brenner nach Bedarf geliefert werden, um die Übergangsanforderungen und stationären Anforderungen der Brennstoffzellenvorrichtung erfüllen zu können.The burner preferably comprises a chamber with an inlet, a discharge and a catalyst. Preferably, the fuel source of the burner is the unreacted hydrogen in the anode effluent. Additional fuel (electricity 7 ) can be delivered directly to the burner as needed to meet the transition requirements and stationary requirements of the fuel cell device.

Der Kohlenwasserstoff-Brennstoff und/oder der Anodenabfluss reagieren in dem Katalysatorabschnitt des Brenners. Sauerstoff wird an den Brenner entweder von der Luftversorgung und/oder bevorzugt dem Kathodenabflussstrom abhängig von den Systembetriebsbedingungen geliefert. Bevorzugt gelangt der Austrag von dem Brenner durch einen Regler und einen Schalldämpfer und wird an die Atmosphäre freigegeben.Of the Hydrocarbon fuel and / or the anode effluent react in the catalyst section of the burner. Oxygen gets to the Burner either from the air supply and / or preferably the cathode effluent stream dependent supplied by the system operating conditions. Preferably reaches the Discharge from the burner through a regulator and a silencer and is released to the atmosphere.

Bei Systemen, bei denen der Reaktor durch den Brenner erhitzt wird, werden Enthalpiegleichungen dazu verwendet, die Menge an Kathodenaustragsluft zu bestimmen, die an den Brenner geliefert werden muss, um so die von den Reaktoren (4, 5) benötigte Wärme liefern zu können. Eine von dem Brenner benötigte Sauerstoffanforderung, die durch den Kathodenabfluss nicht erfüllt wird, wird bevorzugt durch einen Kompressor in einer Menge geliefert, um die durch den Brenner geforderte Wärme und Temperatur liefern zu können.In systems where the reactor is heated by the burner, enthalpy equations are used to determine the amount of cathode exhaust air that must be delivered to the burner so as to separate the reactor from the reactor (s). 4 . 5 ) to supply the required heat. An oxygen demand required by the burner, which is not met by the cathode effluent, is preferably supplied by a compressor in an amount to provide the heat and temperature required by the burner.

Wasser für die Reaktoren wird bevorzugt von der Wasserübertragungsvorrichtung (2) geliefert, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Jedoch kann unter bestimmten Bedingungen (wie beispielsweise in der Startphase des Systems) zusätzliches Wasser benötigt werden. Dieses Wasser wird bevorzugt aus dem Anodenabfluss und Kathodenabfluss z. B. unter Verwendung eines Kondensators und eines Wasserseparators erhalten. Anschließend wird flüssiges Wasser in einem Reservoir gespeichert. Wasser kann auch dem Reservoir von externen Quellen zugesetzt werden.Water for the reactors is preferably from the water transfer device ( 2 ), as described in more detail below. However, under certain conditions (such as in the startup phase of the system) additional water may be needed. This water is preferably from the anode effluent and cathode effluent z. B. using a capacitor and a water separator. Subsequently, liquid water is stored in a reservoir. Water can also be added to the reservoir from external sources.

Bevorzugt werden die verschiedenen Aspekte des Betriebs des Systems unter Verwendung eines geeigneten Mikroprozessors, Mikrocontrollers, Personalcomputers, etc. gesteuert, die eine Zentralverarbeitungseinheit besitzen, die in der Lage ist, ein Steuerprogramm und in einem Speicher gespeicherte Daten ausführen zu können. Die Steuerung kann eine zweckgebundene Steuerung sein, die für eine der Komponenten spezifisch ist, oder kann als Software implementiert sein, die in einem elektronischen Hauptsteuermodul des Fahrzeugs gespeichert ist. Ferner ist es obwohl auf Software basierende Steuerprogramme zur Steuerung von Systemkomponenten in verschiedenen Betriebsarten, wie oben beschrieben ist, verwendbar sind, auch möglich, dass die Steuerung teilweise oder vollständig durch eine zweckbestimmte elektronische Schaltung implementiert sein kann.Prefers the various aspects of the operation of the system are under Using a suitable microprocessor, microcontroller, personal computer, etc., which have a central processing unit which is capable of having a control program and stored in a memory Execute data to be able to. The controller may be a dedicated controller suitable for one of Components is specific, or can be implemented as software be in an electronic main control module of the vehicle is stored. Further, although it is software based control programs for controlling system components in different operating modes, As described above, it is also possible that the control partly or completely by a dedicated electronic circuit can be implemented.

Wasserübertragungsvorrichtung:Water transfer device:

Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Wasserübertragungsvorrichtung vor, die Wasserdampf von einem feuchten Gasstrom an einen trockenen Gasstrom überträgt. Die Wasserübertragungsvorrichtungen dieser Erfindung umfassen eine Struktur mit einem Durchflussweg für ein Primärgas, einem Durchflussweg für ein Sekundärgas wie auch einer Wasserübertragungsmembran mit einer ersten und zweiten Fläche, wobei die erste Fläche der Membran in wesentlichem Kontakt mit dem Durchflussweg für das Primärgas und die zweite Fläche in wesentlichem Kontakt mit dem zweiten Durchflussweg steht. Wasserdampf in einem Gas, das in einem Durchflussweg (beispielsweise dem ersten Durchflussweg) strömt, wird durch die Membran an den anderen Durchflussweg (beispielsweise den zweiten Durchflussweg) übertragen. Eine bevorzugte Wasserübertragungsvorrichtung für die Übertragung von Wasserdampf zwischen einem Primärgas und einem Sekundärgas in einer Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage (eine Ausführungsform davon ist in 3 in einer Schnittansicht gezeigt) umfasst:

  • (a) einen Primärgaseinlass (20);
  • (b) einen Primärgasauslass (21);
  • (c) eine Rohrleitung (22) mit einem Innenhohlraum (23) und einer Außenfläche (24), deren Wände ein Wasserübertragungsmembranmaterial umfassen, wobei ein Ende der Rohrleitung mit dem Primärgaseinlass (20) und das andere Ende der Rohrleitung mit dem Primärgasauslass (21) verbunden ist, so dass der Durchfluss eines Primärgases durch den inneren Hohlraum möglich ist; und
  • (d) ein Gehäuse (25), das einen Hohlraum (26) um zumindest einen Anteil der Außenfläche der Rohrleitung (22) herum umschließt und diesen ausbildet, wobei das Gehäuse einen Sekundärgaseinlass (27) und einen Sekundärgasauslass (28) aufweist, um eine Strömung eines Sekundärgases durch den Hohlraum (26) zu ermöglichen, wobei das Sekundärgas, das durch den Hohlraum des Gehäuses strömt, über eine Außenfläche der Rohrleitung strömt, sich jedoch nicht wesentlich mit Primärgas mischt, das durch den Innenhohlraum der Rohrleitung strömt.
The present invention also provides a water transfer device, the water transfers steam from a wet gas stream to a dry gas stream. The water transfer devices of this invention comprise a structure having a primary gas flow path, a secondary gas flow path, and a first and second surface water transfer membrane, wherein the first surface of the membrane is in substantial contact with the primary gas flow path and the second surface flow path material contact with the second flow path is. Water vapor in a gas flowing in a flow path (eg, the first flow path) is transferred through the membrane to the other flow path (eg, second flow path). A preferred water transfer device for transferring water vapor between a primary gas and a secondary gas in a fuel cell power plant (an embodiment thereof is disclosed in US Pat 3 shown in a sectional view) comprises:
  • (a) a primary gas inlet ( 20 );
  • (b) a primary gas outlet ( 21 );
  • (c) a pipeline ( 22 ) with an internal cavity ( 23 ) and an outer surface ( 24 ) whose walls comprise a water transfer membrane material, one end of the pipeline having the primary gas inlet ( 20 ) and the other end of the pipeline with the primary gas outlet ( 21 ), so that the flow of a primary gas through the inner cavity is possible; and
  • (d) a housing ( 25 ), which has a cavity ( 26 ) by at least a portion of the outer surface of the pipeline ( 22 enclosing and forming it, the housing having a secondary gas inlet ( 27 ) and a secondary gas outlet ( 28 ) to prevent a flow of a secondary gas through the cavity ( 26 ), wherein the secondary gas flowing through the cavity of the housing flows over an outer surface of the pipeline but does not substantially mix with primary gas flowing through the inner cavity of the pipeline.

Die Rohrleitungen können eine Vielzahl von Formen besitzen und zum Beispiel im Wesentlichen zylindrische Rohre und dreidimensionale rechtwinklige Durchgänge sein. Bevorzugt umfasst die Wasserübertragungsvorrichtung eine Vielzahl von Rohrleitungen (29), die mit einer Sammelkammer (30) an dem Primärgaseinlass und einer Sammelkammer (31) an dem Primärgasauslass verbunden sind, um so den Durchfluss von Primärgas durch alle Rohrleitungen zu ermöglichen. Der hier verwendete Begriff "verbunden" betrifft jeden beliebigen Mechanismus, der den Durchgang von Fluid von einem Punkt zu einem anderen bevorzugt ohne wesentlichen Verlust an Fluid ermöglicht. Die Vorrichtung umfasst bevorzugt auch einen Mechanismus, um die Rohrleitungen in dem Gehäuse zu halten und abzustützen. Bevorzugt ist die Durchflussrichtung des Primärgases im Wesentlichen anders und bevorzugt im Wesentlichen entgegengesetzt der Durchflussrichtung des Sekundärgases gerichtet.The conduits may have a variety of shapes and may be, for example, substantially cylindrical tubes and three-dimensional rectangular passages. Preferably, the water transfer device comprises a plurality of pipelines ( 29 ) with a collection chamber ( 30 ) at the primary gas inlet and a collection chamber ( 31 ) are connected to the primary gas outlet so as to allow the flow of primary gas through all pipelines. The term "connected" as used herein refers to any mechanism that allows fluid to pass from one point to another without significant loss of fluid. The device also preferably includes a mechanism to hold and support the tubing in the housing. Preferably, the direction of flow of the primary gas is substantially different and preferably directed substantially opposite to the direction of flow of the secondary gas.

Das Material für die Wasserübertragungsmembran, das hier verwendbar ist, ist ein beliebiges Material, das die Übertragung von Wasserdampf von einem Gas zu einem anderen ermöglicht. Bevorzugt erlaubt ein derartiges Material selektiv die Übertragung von Wasserdampf, ohne dass auch die Übertragung anderer Gase zugelassen wird. Eine bevorzugte Wasserübertragungsmembran erlaubt selektiv die Übertragung von Wasserdampf von einem Strom an Primärgas zu einem Strom an Sekundärgas, ohne dass ein größerer Durchgang (Leckage) anderer Komponenten von dem Primärgasstrom zu dem Sekundärstrom zugelassen wird. Bevorzugt ist, wie in 3 gezeigt ist, das Primärgas der feuchte Gasstrom, von dem Wasserdampf an das Sekundärgas, das den trockenen Gasstrom darstellt, übertragen wird. Bevorzugt ist das Primärgas Reformat, und das Sekundärgas ist Luft.The material for the water transfer membrane usable herein is any material that allows the transfer of water vapor from one gas to another. Preferably, such a material selectively allows the transmission of water vapor, without the transfer of other gases is allowed. A preferred water transfer membrane selectively permits the transfer of water vapor from a stream of primary gas to a stream of secondary gas without allowing greater passage (leakage) of other components from the primary gas stream to the secondary stream. Preferred is as in 3 2, the primary gas is the wet gas stream from which water vapor is transferred to the secondary gas, which is the dry gas stream. Preferably, the primary gas is reformate, and the secondary gas is air.

Bevorzugte Materialien für die Wasserübertragungsmembran, die hier verwendbar sind, umfassen diejenigen, die hergestellt sind aus Perfluorosulfonsäurepolymer (engl. poly [perfluorosulfonic] acid), sulfoniertem Polystyren, Polyethersulfon, sulfoniertem Polyetherketon, Polycarbonaten, anderen sulfonierten Materialien und deren Mischungen. Ein bevorzugtes Membranmaterial besteht aus Perfluorosulfonsäurepolymer. Ein besonders bevorzugtes Membranmaterial wird mit der Handelsbezeichnung "NAFION" von der E. I. DuPont de Nemours Company vertrieben. Hier verwendbare Rohre, die aus NAFION-Membran bestehen, werden mit der Handelsbezeichnung "PD SERIES MOISTURE EXCHANGERS" von Perma Pure, Inc. vertrieben.preferred Materials for the water transfer membrane, used herein include those that are made from perfluorosulfonic acid polymer (poly [perfluorosulfonic] acid), sulfonated polystyrene, Polyethersulfone, sulfonated polyetherketone, polycarbonates, others sulfonated materials and mixtures thereof. A preferred membrane material consists of perfluorosulfonic acid polymer. A particularly preferred membrane material is sold under the trade designation "NAFION" by E. I. DuPont de Nemours Company. Here usable tubes, which are made of NAFION membrane exist under the trade designation "PD SERIES MOISTURE EXCHANGERS" by Perma Pure, Inc. distributed.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Primärgas Wasserstoffreformat, das durch den Reaktor gebildet wird und Wasser als ein Nebenprodukt der Reformatreaktionen umfasst. Demgemäß umfasst ein bevorzugter Kohlenwasserstoffreformer für eine Energieerzeugungsanlage dieser Erfindung:

  • (a) einen Reaktor mit einem Reaktandeneingang und einem Wasserstoffproduktausgang; und
  • (b) eine Wasserübertragungsvorrichtung mit (i) einem Übertragungsvorrichtungseingang, der mit dem Wasserstoffproduktausgang des Reaktors verbunden ist, (ii) einem Übertragungsvorrichtungsausgang, der mit dem Reaktandeneingang des Reaktors verbunden ist, und (iii) einer Wasserübertragungsmembran; wobei die Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von dem Wasserstoffproduktausgang an den Reaktandeneingang überträgt. Ein bevorzugtes Verfahren dieser Erfindung umfasst die Übertragung von Wasserdampf von dem Reformat, das durch einen Reaktor gebildet wird, an einen Reaktanden unter Verwendung einer Wasserdampfübertragungsvorrichtung, die eine Wasserübertragungsmembran umfasst.
In a preferred embodiment of the invention, the primary gas is hydrogen reformate formed by the reactor and comprising water as a by-product of the reformate reactions. Accordingly, a preferred hydrocarbon reformer for a power plant of this invention comprises:
  • (a) a reactor having a reactant inlet and a hydrogen product outlet; and
  • (b) a water transfer device having (i) a transfer device inlet connected to the hydrogen product exit of the reactor, (ii) a transfer device outlet connected to the reactant inlet of the reactor, and (iii) a water transfer membrane; wherein the water transfer device transfers water from the hydrogen product exit to the reactant inlet. A preferred method of this invention involves the transfer of water vapor from the reformate formed by a reactor to a reactant using a water vapor transfer device comprising a water transfer membrane.

Bei einer Ausführungsform, die in 4 in einer Schnittansicht dargestellt ist, strömt das Wasserstoffgas von dem Reaktor (1) durch den Hohlraum (23) der Rohrleitung (22) der Wasserübertragungsvorrichtung (2). Luft strömt in das Gehäuse (25) der Wasserübertragungsvorrichtung durch einen Lufteinlass (27). Die Luft strömt durch den Hohlraum (26) in dem Gehäuse über die Rohrleitung und tritt an einem Luftauslass (28) aus. Wenn das Wasserstoffreformat durch die Rohrleitung strömt, wird Wasser durch die Rohrleitungswände (24), die das Wasserübertragungsmembranmaterial umfassen, nach außen übertragen. Das getrocknete Wasserstoffreformat strömt dann zu der Brennstoffzelle (3). Die Luft, die über die Außenfläche der Rohrleitung strömt, nimmt den Wasserdampf auf und strömt zu dem Reaktor (1), an dem sie Wasser bereitstellt, das für die Reformerreaktionen benötigt wird. Bevorzugt wird die Luft erhitzt, wenn sie über die Rohrleitung strömt, wodurch Wärme an den Reaktor geliefert wird und das Reformat gekühlt wird. Bei anderen Ausführungsformen umfasst das Sekundärgas einen gasförmigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff (beispielsweise Methan oder einen verdampften flüssigen Brennstoff).In one embodiment, in 4 is shown in a sectional view, the hydrogen gas flows from the reactor ( 1 ) through the cavity ( 23 ) of the pipeline ( 22 ) of the water transmission device ( 2 ). Air flows into the housing ( 25 ) of the water transmission device through an air inlet ( 27 ). The air flows through the cavity ( 26 ) in the housing via the pipeline and enters at an air outlet ( 28 ) out. As the hydrogen reformate flows through the pipeline, water is forced through the pipeline walls ( 24 ), which comprise the water transfer membrane material, are transferred to the outside. The dried hydrogen reformate then flows to the fuel cell ( 3 ). The air flowing over the outer surface of the pipeline absorbs the water vapor and flows to the reactor ( 1 ), where it provides water needed for the reformer reactions. Preferably, the air is heated as it flows over the pipeline, thereby supplying heat to the reactor and cooling the reformate. In other embodiments, the secondary gas comprises a gaseous hydrocarbon fuel (eg, methane or a vaporized liquid fuel).

Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform umfasst der Reaktor den Primärreaktor (4) wie auch die unterstromigen Reaktoren (5) und (6). Bei einer alternativen Ausführungsform umfasst der Reaktor den Primärreaktor (4) und den Wasser-Gas-Shift-Reaktor (5), und das Reformat, das durch die Wasserübertragungsvorrichtung strömt, strömt zu einem PrOx-Reaktor. Der Wasserdampfstrom, der durch die Wasserübertragungsvorrichtung (2) vorgesehen wird, wird bevorzugt an die Reaktoren geliefert, die Wasser benötigen. Bei einer Ausführungsform wird der Strom an den Primärreaktor (4) und den WGS-Reaktor (5) geliefert.At the in 2 In the illustrated embodiment, the reactor comprises the primary reactor ( 4 ) as well as the downstream reactors ( 5 ) and ( 6 ). In an alternative embodiment, the reactor comprises the primary reactor ( 4 ) and the water-gas shift reactor ( 5 ), and the reformate flowing through the water transfer device flows to a PrOx reactor. The water vapor stream passing through the water transfer device ( 2 ) is preferably supplied to the reactors which require water. In one embodiment, the flow to the primary reactor ( 4 ) and the WGS reactor ( 5 ) delivered.

Bevorzugt beträgt der Druck des Primärgases in der Rohrleitung etwa 50% bis etwa 500%, bevorzugter etwa 100% bis etwa 300% und bevorzugter etwa 170% bis etwa 270% des Druckes des Sekundärgases in dem Gehäuse. Auch ist die Temperatur des trockenen Gasstromes bevorzugt kleiner oder gleich der Temperatur des feuchten Gasstromes. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der trockene Gasstrom aus Luft bevorzugt bei einer Temperatur von kleiner als etwa 85°C (185°F), bevorzugter kleiner als etwa 50°C (122°F) und bevorzugter kleiner als etwa 30°C (86°F). Bevorzugt besteht der trockene Gasstrom aus Luft bei etwa Umgebungstemperatur und etwa Umgebungsdruck.Prefers is the pressure of the primary gas in the pipeline about 50% to about 500%, more preferably about 100% to about 300%, and more preferably about 170% to about 270% of the pressure of the secondary gas in the case. Also, the temperature of the dry gas stream is preferably smaller or equal to the temperature of the moist gas stream. In a preferred embodiment the dry gas stream of air is preferably at a temperature less than about 85 ° C (185 ° F), more preferably less than about 50 ° C (122 ° F) and more preferably less than about 30 ° C (86 ° F). Preferably, the dry consists Gas flow from air at about ambient temperature and about ambient pressure.

Bevorzugt wird die Temperatur des feuchten Gasstromes an den Eingang der Wasserübertragungsvorrichtung auf einer Temperatur oberhalb des Taupunktes des Gases beibehalten, so dass das Wasser in der Wasserübertragungsvorrichtung nicht kondensiert. Bevorzugt befindet sich die Temperatur des feuchten Gasstromes an dem Einlass der Wasserübertragungsvorrichtung zwischen etwa 1°C (1,8°F) bis etwa 10°C (18°F), bevorzugter zwischen etwa 1°C (1,8°F) und etwa 5°C (9°F) oberhalb seines Taupunktes.Prefers the temperature of the moist gas stream is at the entrance of the water transfer device maintained at a temperature above the dew point of the gas, so that the water in the water transfer device not condensed. Preferably, the temperature of the moist Gas flow at the inlet of the water transfer device between about 1 ° C (1.8 ° F) to about 10 ° C (18 ° F), more preferably between about 1 ° C (1.8 ° F) and about 5 ° C (9 ° F) above its dew point.

Bevorzugt beträgt der Wasserübertragungswirkungsgrad der Wasserübertragungsvorrichtung dieser Erfindung zumindest etwa 30%, bevorzugter zumindest etwa 50%, bevorzugter zumindest etwa 80% und bevorzugter zumindest etwa 90%. Der hier verwendete Begriff "Wasserübertragungswirkungsgrad" ist das Verhältnis von dWakt/dWmax, wobei dWakt die Menge an Wasser ist, die aktuell von dem feuchten Gasstrom auf den trockenen Gasstrom übertragen wird, und dWmax die maximale Menge an Wasser ist, die theoretisch übertragen werden könnte. Die Menge an Wasser, die übertragen werden kann, kann unter Verwendung herkömmlicher Messungen des Wassergehaltes gasförmiger Ströme bestimmt werden, wie in der Technik bekannt ist. Die maximale Menge an Wasser, dWmax, ist die kleinere aus der Maximalmenge an Wasser, die durch den trockenen Gasstrom absorbiert werden kann (bei einer gegebenen Betriebstemperatur und einem gegebenen Betriebsdruck), und der aktuellen Menge an Wasser in dem feuchten Eingangsgasstrom.Preferably, the water transfer efficiency of the water transfer device of this invention is at least about 30%, more preferably at least about 50%, more preferably at least about 80%, and more preferably at least about 90%. The term "water transfer efficiency" as used herein is the ratio of dW act / dW max , where dW act is the amount of water currently transferred from the wet gas stream to the dry gas stream, and dW max is the maximum amount of water theoretically could be transferred. The amount of water that can be transferred can be determined using conventional measurements of the water content of gaseous streams, as known in the art. The maximum amount of water, dw max , is the smaller of the maximum amount of water that can be absorbed by the dry gas stream (at a given operating temperature and operating pressure) and the actual amount of water in the wet input gas stream.

Eine bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffprozessors umfasst auch eine Luftbewegungsvorrichtung, wie beispielsweise einen Kompressor oder ein Gebläse, zur Lieferung von Luft an den Reaktor (z. B. die Primär- und WGS-Reaktoren). Wie in den 2 und 4 gezeigt ist, ist die Luftbewegungsvorrichtung bei einer Ausführungsform ein Kompressor (12), der Luft unter Druck an den Reaktor (1) liefert. Bei Ausführungsformen, bei denen die Wasserübertragungsvorrichtung die Luft für den Reaktor befeuchtet, kann die Wasserübertragungsvorrichtung die Luft befeuchten, nachdem sie komprimiert worden ist (d.h. die Vorrichtung ist mit dem Ausgang des Kompressors verbunden) oder sie kann bevorzugt die Luft befeuchten, bevor sie komprimiert wird (d.h. die Vorrichtung ist mit dem Eingang des Kompressors verbunden).A preferred embodiment of a fuel processor also includes an air moving device, such as a compressor or a blower, for supplying air to the reactor (eg, the primary and WGS reactors). As in the 2 and 4 In one embodiment, the air movement device is a compressor ( 12 ), the air under pressure to the reactor ( 1 ). In embodiments where the water transfer device humidifies the air for the reactor, the water transfer device may humidify the air after it has been compressed (ie, the device is connected to the exit of the compressor), or it may preferentially humidify the air before it is compressed (ie the device is connected to the input of the compressor).

Die Beispiele und anderen Ausführungsformen, die hier beschrieben sind, sind beispielhaft und nicht zur Beschränkung bei der Beschreibung des vollständigen Schutzumfanges der Vorrichtungen, Einrichtungen, Komponenten, Materialien, Zusammensetzungen und Verfahren dieser Erfindung bestimmt. Gleichwertige Änderungen, Abwandlungen und Variationen der spezifischen Ausführungsformen, Materialien, Zusammensetzungen und Verfahren können mit im Wesentlichen gleichen Ergebnissen durchgeführt werden.The examples and other embodiments described herein are intended to be illustrative and not restrictive in describing the full scope of the devices, devices, components, materials, compositions and methods of this invention. Equivalent changes, modifications and variations of the specific embodiment Methods, materials, compositions and methods may be practiced with substantially similar results.

Claims (17)

Brennstoffprozessor für die Erzeugung von Wasserstoff aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff mit einem Reaktor für die Erzeugung von wasserstoffhaltigem Reformat unter Verwendung von Oxidationsmittel, Wasser und Kohlenwasserstoff-Brennstoff; gekennzeichnet durch eine Wasserübertragungsvorrichtung, die derart ausgestaltet ist, dass sie Wasserdampf von dem Reformat, das durch den Reaktor erzeugt wird, auf einen von dem Reaktor verwendeten Reaktanden überträgt, bevor das Reformat einer Brennstoffzelle zugeführt wird, wobei die Wasserübertragungsvorrichtung eine Wasserübertragungsmembran umfasst.Fuel processor for the production of hydrogen from a hydrocarbon fuel with a reactor for production hydrogenated reformate using oxidant, Water and hydrocarbon fuel; marked by a Water transfer device, which is configured to receive water vapor from the reformate, produced by the reactor to one used by the reactor Reactants transfers before the reformate is fed to a fuel cell, wherein the water transfer device a Water transfer membrane includes. Brennstoffprozessor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserübertragungsmembran Perfluorosulfonsäurepolymer umfasst.Fuel processor according to claim 1, characterized in that that the water transfer membrane perfluorosulfonic includes. Brennstoffprozessor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass (a) der Reaktor einen Reaktandeneingang und einen Reformatausgang aufweist; und (b) die Wasserübertragungsvorrichtung (i) einen Übertragungsvorrichtungseingang, der mit dem Reformatausgang des Reaktors verbunden ist, (ii) einen Übertragungsvorrichtungsausgang, der mit dem Reaktandeneingang des Reaktors verbunden ist und (iii) eine Wasserübertragungsmembran aufweist; wobei die Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von dem Reformatausgang an den Reaktandeneingang überträgt.Fuel processor according to one of claims 1 or 2, characterized in that (a) the reactor has a reactant inlet and a reformate outlet; and (b) the water transfer device (i) a transmitter input, connected to the reformate exit of the reactor, (ii) a transfer device exit, which is connected to the reactant inlet of the reactor and (iii) a Water transfer membrane having; wherein the water transfer device Transfer water from the reformate exit to the reactant inlet. Brennstoffprozessor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktandeneingang des Reaktors ein Oxidationsmitteleingang ist.Fuel processor according to claim 3, characterized in that the reactant input of the reactor is an oxidant input is. Brennstoffprozessor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor ein autothermer Reaktor ist.Fuel processor according to claim 3, characterized in that the reactor is an autothermal reactor. Brennstoffprozessor nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Kompressor, der einen Reaktandeneingang aufweist und der eine Abgabe von komprimiertem Reaktand an den Reaktandeneingang des Reaktors liefert, wobei die Wasserübertragungsvorrichtung Wasserdampf an den Reaktandeneingang des Kompressors überträgt.Fuel processor according to claim 3, characterized by a compressor having a Reaktandeingingang and a delivery of compressed reactant to the reactant inlet of the reactor, wherein the water transfer device is water vapor transmits to the Reaktandeneingang the compressor. Brennstoffprozessor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserübertragungsvorrichtung einen Eingang für Luft umfasst.Fuel processor according to claim 3, characterized in that that the water transfer device an entrance for Air includes. Brennstoffprozessor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserübertragungsvorrichtung umfasst: (a) einen Primärgaseinlass; (b) einen Primärgasauslass; (c) einen Sekundärgaseinlass; (d) einen Sekundärgasauslass; (e) wenigstens eine Rohrleitung mit einem Innenhohlraum und einer Außenfläche, deren Wände das Wasserübertragungsmembranmaterial umfassen, wobei ein Ende der Rohrleitung mit dem Primärgaseinlass und das andere Ende der Rohrleitung mit dem Primärgasauslass verbunden ist, um so eine Strömung eines Primärgases durch den Innenhohlraum zu ermöglichen; und (f) ein Gehäuse, das einen Hohlraum um zumindest einen Anteil der Außenfläche der Rohrleitung herum umschließt und diesen ausbildet, wobei das Gehäuse einen Sekundärgaseinlass und einen Sekundärgasauslass aufweist, um eine Strömung eines Sekundärgases durch den Hohlraum zu ermöglichen.Fuel processor according to claim 1, characterized in that that the water transfer device includes: (a) a primary gas inlet; (B) a primary gas outlet; (C) a secondary gas inlet; (D) a secondary gas outlet; (E) at least one pipeline having an inner cavity and an outer surface, the Walls the water transfer membrane material comprising one end of the pipeline with the primary gas inlet and the other end of the pipeline is connected to the primary gas outlet, such a flow a primary gas to allow through the internal cavity; and (f) a housing, the one cavity around at least a portion of the outer surface of Surrounding pipe around and this forms, wherein the housing has a secondary gas inlet and a secondary gas outlet has a flow a secondary gas to allow through the cavity. Brennstoffprozessor nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Rohrleitungen, die alle mit dem Primärgaseinlass und dem Primärgasauslass verbunden sind.Fuel processor according to claim 8, characterized through a variety of piping, all with the primary gas inlet and the primary gas outlet are connected. Brennstoffprozessor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserübertragungsvorrichtung umfasst: (a) einen Reformatgaseinlass, der mit dem Reformatstromauslass des Reaktors verbunden ist; (b) einen Reformatgasauslass; (c) einen Oxidationsmittelgaseinlass; (d) einen Oxidationsmittelgasauslass; (e) eine Rohrleitung mit einem Innenhohlraum und einer Außenfläche, deren Wände ein Wasserübertragungsmembranmaterial umfassen, wobei ein Ende der Rohrleitung mit dem Reformatgaseinlass und das andere Ende der Rohrleitung mit dem Reformatgasauslass verbunden ist, um so eine Strömung von Wasserstoffgas durch den Innenhohlraum zu ermöglichen; und (f) einem Gehäuse, das einen Hohlraum um zumindest einen Anteil der Außenfläche der Rohrleitung herum umschließt und ausbildet, wobei das Gehäuse einen Oxidationsmittelgaseinlass und einen Oxidationsmittelgasauslass aufweist, um eine Strömung eines Oxidationsmittelgases durch den Hohlraum zu ermöglichen. Fuel processor according to claim 1, characterized in that that the water transfer device includes: (a) a reformate gas inlet connected to the reformate stream outlet the reactor is connected; (b) a reformate gas outlet; (C) an oxidant gas inlet; (d) an oxidant gas outlet; (E) a pipeline having an inner cavity and an outer surface, the Walls Water transfer membrane material comprising one end of the pipeline with the reformate gas inlet and the other end of the tubing connected to the reformate gas outlet is, such a flow to allow hydrogen gas through the internal cavity; and (f) a housing, the one cavity around at least a portion of the outer surface of Surrounding pipe around and forms, wherein the housing a Oxidant gas inlet and an oxidant gas outlet has a flow allow an oxidant gas through the cavity. Verfahren zum Befeuchten eines Reaktanden für einen Brennstoffprozessor, der ein wasserstoffhaltiges Reformat herstellt, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserdampf von dem Reformat auf den Reaktanden unter Verwen- dung einer einen Primärgaseinlass, einen Primärgasauslass, einen Sekundärgaseinlass und einen Sekundärgasauslass aufweisenden Wasserübertragungsvorrichtung, die eine Wasserübertragungsmembran umfasst, übertragen wird, bevor das Reformat eine Brennstoffzelle erreicht.A method of humidifying a reactant for a fuel processor that produces a hydrogenated reformate, characterized in that water vapor from the reformate is applied to the reactant using a water transfer device comprising a water transfer membrane comprising a primary gas inlet, a primary gas outlet, a secondary gas inlet, and a secondary gas outlet; transfer before the reformate reaches a fuel cell. Verfahren zum Befeuchten eines Reaktanden für einen Brennstoff- prozessor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluss des Reformats in einer wesentlich anderen Richtung als der Durchfluss des Reaktanden erfolgt.Method for moistening a reactant for a Fuel processor according to claim 11, characterized in that that the flow of the reformate in a substantially different direction than the flow of the reactant takes place. Verfahren zum Befeuchten eines Reaktanden nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktand Luft ist.A method of moistening a reactant according to claim 11, characterized in that the reactant is air. Verfahren zum Befeuchten eines Reaktanden nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft sich bei einer Temperatur von weniger als etwa 50°C befindet, wenn sie durch die Wasserübertra- gungsvorrichtung befeuchtet wird. A method of moistening a reactant according to claim 13, characterized in that the air at a temperature less than about 50 ° C when moistened by the water transfer device becomes. Verfahren zum Befeuchten eines Reaktanden nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft etwa Umgebungstemperatur aufweist.A method of moistening a reactant according to claim 13, characterized in that the air is approximately ambient temperature having. Verfahren zum Befeuchten eines Reaktanden für einen Brennstoffprozessor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärgaseinlass mit von einem Reaktor erzeugtem Reformat beliefert wird und der Sekundärgaseinlass mit Luft beliefert wird, umfassend, dass Wasserdampf von dem Reformat auf die Luft unter Verwendung der Wasserübertragungsvorrichtung übertragen wird und die Luft von dem Sekundärgasauslass an einen Reaktor in dem Brennstoffprozessor geliefert wird.Method for moistening a reactant for a Fuel processor according to claim 11, characterized in that the primary gas inlet with supplied by a reactor produced reformate and the secondary gas inlet is supplied with air, comprising, that water vapor from the reformate transferred to the air using the water transfer device and the air from the secondary gas outlet to a reactor in the fuel processor. Verfahren zum Befeuchten eines Reaktanden für einen Brennstoffprozessor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Luft kleiner als etwa 50°C ist und der Druck des Reformates zwischen etwa 170% und etwa 270% des Druckes der Luft liegt.Method for moistening a reactant for a Fuel processor according to claim 16, characterized in that the temperature of the air is less than about 50 ° C and the pressure of the reformate between about 170% and about 270% of the pressure of the air.
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